# 第十五章 爬取维基百科
> 原文：[Chapter 15 Crawling Wikipedia](http://greenteapress.com/thinkdast/html/thinkdast016.html)
> 译者：[飞龙](https://github.com/wizardforcel)
> 协议：[CC BY-NC-SA 4.0](http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/)
> 自豪地采用[谷歌翻译](https://translate.google.cn/)
在本章中，我展示了上一个练习的解决方案，并分析了 Web 索引算法的性能。然后我们构建一个简单的 Web 爬虫。
## 15.1 基于 Redis 的索引器
在我的解决方案中，我们在 Redis 中存储两种结构：
+ 对于每个检索词，我们有一个`URLSet`，它是一个 Redis 集合，包含检索词的 URL。
+ 对于每个网址，我们有一个`TermCounter`，这是一个 Redis 哈希表，将每个检索词映射到它出现的次数。
我们在上一章讨论了这些数据类型。你还可以在 <http://thinkdast.com/redistypes> 上阅读 Redis `Set和`Hash`的信息
在`JedisIndex`中，我提供了一个方法，它可以接受一个检索词并返回 Redis 中它的`URLSet`的键：
```java
private String urlSetKey(String term) {
return "URLSet:" + term;
}
```
以及一个方法，接受 URL 并返回 Redis 中它的`TermCounter`的键。
```java
private String termCounterKey(String url) {
return "TermCounter:" + url;
}
```
这里是`indexPage`的实现。
```java
public void indexPage(String url, Elements paragraphs) {
System.out.println("Indexing " + url);
// make a TermCounter and count the terms in the paragraphs
TermCounter tc = new TermCounter(url);
tc.processElements(paragraphs);
// push the contents of the TermCounter to Redis
pushTermCounterToRedis(tc);
}
```
为了索引页面，我们：
+ 为页面内容创建一个 Java 的`TermCounter`，使用上一个练习中的代码。
+ 将`TermCounter`的内容推送到 Redis。
以下是将`TermCounter`的内容推送到 Redis 的新代码：
```java
public List<Object> pushTermCounterToRedis(TermCounter tc) {
Transaction t = jedis.multi();
String url = tc.getLabel();
String hashname = termCounterKey(url);
// if this page has already been indexed, delete the old hash
t.del(hashname);
// for each term, add an entry in the TermCounter and a new
// member of the index
for (String term: tc.keySet()) {
Integer count = tc.get(term);
t.hset(hashname, term, count.toString());
t.sadd(urlSetKey(term), url);
}
List<Object> res = t.exec();
return res;
}
```
该方法使用`Transaction`来收集操作，并将它们一次性发送到服务器，这比发送一系列较小操作要快得多。
它遍历`TermCounter`中的检索词。对于每一个，它：
+ 在 Redis 上寻找或者创建`TermCounter`，然后为新的检索词添加字段。
+ 在 Redis 上寻找或创建`URLSet`，然后添加当前的 URL。
如果页面已被索引，则`TermCounter`在推送新内容之前删除旧页面 。
新的页面的索引就是这样。
练习的第二部分要求你编写`getCounts`，它需要一个检索词，并从该词出现的每个网址返回一个映射。这是我的解决方案：
```java
public Map<String, Integer> getCounts(String term) {
Map<String, Integer> map = new HashMap<String, Integer>();
Set<String> urls = getURLs(term);
for (String url: urls) {
Integer count = getCount(url, term);
map.put(url, count);
}
return map;
}
```
此方法使用两种辅助方法：
+ `getURLs`接受检索词并返回该字词出现的网址集合。
+ `getCount`接受 URL 和检索词，并返回该检索词在给定 URL 处显示的次数。
以下是实现：
```java
public Set<String> getURLs(String term) {
Set<String> set = jedis.smembers(urlSetKey(term));
return set;
}
public Integer getCount(String url, String term) {
String redisKey = termCounterKey(url);
String count = jedis.hget(redisKey, term);
return new Integer(count);
}
```
由于我们设计索引的方式，这些方法简单而高效。
## 15.2 查找的分析
假设我们索引了`N`个页面，并发现了`M`个唯一的检索词。检索词的查询需要多长时间？在继续之前，先考虑一下你的答案。
要查找一个检索词，我们调用`getCounts`，其中：
+ 创建映射。
+ 调用`getURLs`来获取 URL 的集合。
+ 对于集合中的每个 URL，调用`getCount`并将条目添加到`HashMap`。
`getURLs`所需时间与包含检索词的网址数成正比。对于罕见的检索词，这可能是一个很小的数字，但是对于常见检索词，它可能和`N`一样大。
在循环中，我们调用了`getCount`，它在 Redis 上寻找`TermCounter`，查找一个检索词，并向`HashMap`添加一个条目。那些都是常数时间的操作，所以在最坏的情况下，`getCounts`的整体复杂度是`O(N)`。然而实际上，运行时间正比于包含检索词的页面数量，通常比`N`小得多。
这个算法根据复杂性是有效的，但是它非常慢，因为它向 Redis 发送了许多较小的操作。你可以使用`Transaction`来加快速度 。你可能留作一个练习，或者你可以在`RedisIndex.java`中查看我的解决方案。
## 15.3 索引的分析
使用我们设计的数据结构，页面的索引需要多长时间？再次考虑你的答案，然后再继续。
为了索引页面，我们遍历其 DOM 树，找到所有`TextNode`对象，并将字符串拆分成检索词。这一切都与页面上的单词数成正比。
对于每个检索词，我们在`HashMap`中增加一个计数器，这是一个常数时间的操作。所以创建`TermCounter`的所需时间与页面上的单词数成正比。
将`TermCounter`推送到 Redis ，需要删除`TermCounter`，对于唯一检索词的数量是线性的。那么对于每个检索词，我们必须：
+ 向`URLSet`添加元素，并且
+ 向 Redis`TermCounter`添加元素。
这两个都是常数时间的操作，所以推送`TermCounter`的总时间对于唯一检索词的数量是线性的。
总之，`TermCounter`的创建与页面上的单词数成正比。向 Redis 推送`TermCounter`与唯一检索词的数量成正比。
由于页面上的单词数量通常超过唯一检索词的数量，因此整体复杂度与页面上的单词数成正比。理论上，一个页面可能包含索引中的所有检索词，因此最坏的情况是`O(M)`，但实际上我们并不期待看到更糟糕的情况。
这个分析提出了一种提高效率的方法：我们应该避免索引很常见的词语。首先，他们占用了大量的时间和空间，因为它们出现在几乎每一个`URLSet`和`TermCounter`中。此外，它们不是很有用，因为它们不能帮助识别相关页面。
大多数搜索引擎避免索引常用单词，这在本文中称为停止词（<http://thinkdast.com/stopword>）。
## 15.4 图的遍历
如果你在第七章中完成了“到达哲学”练习，你已经有了一个程序，它读取维基百科页面，找到第一个链接，使用链接加载下一页，然后重复。这个程序是一种专用的爬虫，但是当人们说“网络爬虫”时，他们通常意味着一个程序：
加载起始页面并对内容进行索引，
查找页面上的所有链接，并将链接的 URL 添加到集合中
通过收集，加载和索引页面，以及添加新的 URL，来按照它的方式工作。
如果它找到已经被索引的 URL，会跳过它。
你可以将 Web 视为图，其中每个页面都是一个节点，每个链接都是从一个节点到另一个节点的有向边。如果你不熟悉图，可以阅读 <http://thinkdast.com/graph>。
从源节点开始，爬虫程序遍历该图，访问每个可达节点一次。
我们用于存储 URL 的集合决定了爬虫程序执行哪种遍历：
+ 如果它是先进先出（FIFO）的队列，则爬虫程序将执行广度优先遍历。
+ 如果它是后进先出（LIFO）的栈，则爬虫程序将执行深度优先遍历。
+ 更通常来说，集合中的条目可能具有优先级。例如，我们可能希望对尚未编入索引的页面给予较高的优先级。
你可以在 <http://thinkdast.com/graphtrav> 上阅读图的遍历的更多信息 。
## 15.5 练习 12
现在是时候写爬虫了。在本书的仓库中，你将找到此练习的源文件：
+ `WikiCrawler.java`，包含你的爬虫的其实代码。
+ `WikiCrawlerTest.java`，包含`WikiCrawler`的测试代码。
+ `JedisIndex.java`，这是我以前的练习的解决方案。
你还需要一些我们以前练习中使用过的辅助类：
+ `JedisMaker.java`
+ `WikiFetcher.java`
+ `TermCounter.java`
+ `WikiNodeIterable.java`
在运行`JedisMaker`之前，你必须提供一个文件，关于你的 Redis 服务器信息。如果你在上一个练习中这样做，你应该全部配置好了。否则，你可以在 14.3 节中找到说明。
运行`ant build`来编译源文件，然后运行`ant JedisMaker`来确保它配置为连接到你的 Redis 服务器。
现在运行`ant WikiCrawlerTest`。它应该失败，因为你有工作要做！
这是我提供的`WikiCrawler`类的起始：
```java
public class WikiCrawler {
public final String source;
private JedisIndex index;
private Queue<String> queue = new LinkedList<String>();
final static WikiFetcher wf = new WikiFetcher();
public WikiCrawler(String source, JedisIndex index) {
this.source = source;
this.index = index;
queue.offer(source);
}
public int queueSize() {
return queue.size();
}
```
实例变量是：
+ `source`是我们开始抓取的网址。
+ `index`是`JedisIndex`，结果应该放进这里。
+ `queue`是`LinkedList`，这里面我们跟踪已发现但尚未编入索引的网址。
+ `wf`是`WikiFetcher`，我们用来读取和解析网页。
你的工作是填写`crawl`。这是原型：
```java
public String crawl(boolean testing) throws IOException {}
```
当这个方法在`WikiCrawlerTest`中调用时，`testing`参数为`true`，否则为`false`。
如果`testing`是`true`，`crawl`方法应该：
+ 以 FIFO 的顺序从队列中选择并移除一个 URL。
+ 使用`WikiFetcher.readWikipedia`读取页面的内容，它读取仓库中包含的，页面的缓存副本来进行测试（如果维基百科的版本更改，则避免出现问题）。
+ 它应该索引页面，而不管它们是否已经被编入索引。
+ 它应该找到页面上的所有内部链接，并按他们出现的顺序将它们添加到队列中。“内部链接”是指其他维基百科页面的链接。
+ 它应该返回其索引的页面的 URL。
如果`testing`是`false`，这个方法应该：
+ 以 FIFO 的顺序从队列中选择并移除一个 URL。
+ 如果 URL 已经被编入索引，它不应该再次索引，并应该返回`null`。
+ 否则它应该使用`WikiFetcher.fetchWikipedia`读取页面内容，从 Web 中读取当前内容。
+ 然后，它应该对页面进行索引，将链接添加到队列，并返回其索引的页面的 URL。
`WikiCrawlerTest`加载具有大约`200`个链接的队列，然后调用`crawl`三次。每次调用后，它将检查队列的返回值和新长度。
当你的爬虫按规定工作时，此测试应通过。祝你好运！
